隨著對(duì)移動(dòng)計(jì)算和手持設(shè)備的需求日益增長(zhǎng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)從分立器件轉(zhuǎn)向高度集成的系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC），同時(shí)后端服務(wù)器需要更快的計(jì)算處理能力，以滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)處理需求。其中的一個(gè)趨勢(shì)是開(kāi)發(fā)環(huán)保且使用壽命更長(zhǎng)的電池。這就要求更復(fù)雜的電源管理方案，穩(wěn)壓器在其中扮演了關(guān)鍵角色，因此如何放置穩(wěn)壓器對(duì)于提高性能至關(guān)重要。

 

圖 1 是一個(gè)典型的穩(wěn)壓器。“電源設(shè)備（Power Supply Unit）”是穩(wěn)壓器的電源。服務(wù)器、臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦的電源通常是 12V，移動(dòng)設(shè)備的電源是 3.3V。1.0V 穩(wěn)壓器通常用于核心數(shù)字電路的供電，而 IO 通常為 1.8V。“柵極驅(qū)動(dòng)器”的占空比決定了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓。低通 LC 濾波器的采用是為了消除輸出電壓軌上的紋波。為了給敏感的模擬電路供電，使用單獨(dú)的 LDO。

圖 1：典型的穩(wěn)壓器。

 

將穩(wěn)壓器置于裸片上是因?yàn)橄旅娴膸讉€(gè)好處：

 

•    更精細(xì)、更快速的電源管理：片上穩(wěn)壓器可以更好地控制關(guān)閉未使用的電路從而節(jié)省功耗。對(duì)于片外穩(wěn)壓器，從睡眠狀態(tài)喚醒所需的時(shí)間是微秒(μs)級(jí)，而片上穩(wěn)壓器則是納秒(ns)級(jí)。這有助于提供更嚴(yán)格的功耗控制，對(duì)掌上設(shè)備而言就是延長(zhǎng)了電池的使用壽命，對(duì)服務(wù)器則是降低了散熱成本。

 

•    降低 I2R 功耗：一個(gè)典型的服務(wù)器處理器在滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)的功率是 65W。如果電壓為 1V，就需要傳送 65A 電流，這么大的電流需要較寬的走線以保證低 I2R 損耗。若在 2V 電壓下提供相同的功率，電流減小到一半（32.5A），在 I2R 損耗相同的情況下走線寬度變小。I2R 損耗的減小也可以減小板尺寸。

 

•    節(jié)省 PCB 面積：PCB 的可用面積非常寶貴，減小 PCB 面積就可以縮小外形尺寸。通過(guò)將穩(wěn)壓器放置在裸片上，可以去除與之相關(guān)的元件，從而節(jié)省 PCB 面積并減少 BOM。

 

既然片上穩(wěn)壓器有這些好處，為什么有些設(shè)計(jì)仍然傾向于片外穩(wěn)壓器呢?為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們先來(lái)討論穩(wěn)壓器的構(gòu)建模塊以及使用片上穩(wěn)壓器或片外穩(wěn)壓器的利弊權(quán)衡。

 

•    電源傳送電路（Power Train）：電源傳送電路為穩(wěn)壓器提供了兩條傳導(dǎo)路徑，一條是從 VIN 到濾波器，另一條是從濾波器到地。在所有的穩(wěn)壓器中，VIN 到濾波器的路徑都是 PFET 或 NFET 開(kāi)關(guān)。另一方面，從濾波器到地的路徑要么是二極管要么是 NFET。在這兩條路徑上使用 FET 可以得到更好的電壓調(diào)節(jié)性能。第一個(gè)權(quán)衡是 FET 上的額定電壓。片外 FET 有幾種類(lèi)型并且可以支持超過(guò) 400V 的電壓。相比之下，片上 FET 由于采用典型的 CMOS 工藝，最多可以支持 3.3V 電壓，而對(duì)于處理器，最多只能支持 2V 電壓。

 

•    另一個(gè)權(quán)衡是電源傳送電路的功耗。片外 FET 有額外的空間來(lái)散熱，但片上 FET 沒(méi)有，這就增加了整個(gè)裸片溫度，需要額外的散熱管理設(shè)計(jì)。電源傳送電路置于裸片上可以提供高達(dá)幾百兆赫的開(kāi)關(guān)頻率，從而減小濾波器尺寸。另外電源傳送電路在裸片上也會(huì)使電源引腳的數(shù)量增加一倍，因?yàn)樾枰~外的引腳將電源傳送電路的輸出連接到濾波器。

 

•    電感：電感與電容一起形成低通濾波器，用來(lái)抑制輸出端的紋波電壓。穩(wěn)壓器所需的電感通常較大，因此電感不能置于裸片上。片外穩(wěn)壓器使用現(xiàn)成的 SMD 電感。片上穩(wěn)壓器因?yàn)樵试S更高的開(kāi)關(guān)頻率，有利于減小所需電感的尺寸而達(dá)到同樣的效率，并可通過(guò) PCB 走線來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣做能減少 PCB 上的元器件數(shù)量，但代價(jià)是增加了直流電阻，從而增加損耗。

 

•    電容器：電容器用來(lái)減少穩(wěn)壓器輸出端的紋波。對(duì)于片外穩(wěn)壓器，由于開(kāi)關(guān)頻率較低，需要較大的電容器來(lái)抑制紋波。采用帶高頻開(kāi)關(guān)的片上穩(wěn)壓器，可以使板上電容器變小，甚至可以除去電容器。然而，這在裸片上還是占據(jù)了相當(dāng)大的面積，并且比起片外電容器，其 ESR（等效串聯(lián)電阻）通常更高。

 

•    控制器：電壓調(diào)節(jié)回路控制器對(duì)穩(wěn)壓器的放置幾乎沒(méi)什么影響。對(duì)于片外穩(wěn)壓器，控制器使用一個(gè)單獨(dú)的芯片；而對(duì)于片上穩(wěn)壓器，控制器是裸片上控制回路的一部分。片上控制器的優(yōu)點(diǎn)是可以更好地控制調(diào)壓回路，而且控制器可在數(shù)字領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)，因而在技術(shù)變化時(shí)可重復(fù)使用。

 

最后，穩(wěn)壓器是放置在片上還是片外，還是要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)決定。當(dāng)負(fù)載電流小，輸入電壓高，容許較慢的喚醒和睡眠，或者電源管理粒度不是很重要時(shí)，片外穩(wěn)壓器是比較好的選擇?；谶@些原因，LED 燈通常用片外穩(wěn)壓器供電。相反，如果負(fù)載電流大，輸入電壓低，有效操作需要快速喚醒或更細(xì)的粒度，則片上穩(wěn)壓器是更好的選擇。典型的桌面 / 服務(wù)器處理器就是使用片上穩(wěn)壓器幫助改善電源管理的一個(gè)例子。